四十余载前,我在高中时期曾参与一项关于水分子极性的实验,这一实验如今已被山东科技出版社收录进新版的高中《化学选择性必修2》教材中。(如图所示,我已加入了相应的结构式与文字描述。)
实验:分子极性的探索
该实验揭示了水分子具有极性,而四氯化碳分子则无极性的电性吸引现象。对于这一常识,我们常以正、负电荷相互吸引来解释。我们是否曾深入思考过背后的原因?为何是负电荷吸引水分子的正极,使水流趋近于塑料棒,而非负电荷排斥水分子的负极而使水流远离?
在深思熟虑后,即便我在本科的中学化学教材分析课上提出了自己的理论解释,但学生的质疑让我意识到,原先的理解有所偏差。(这正应了教学相长的道理。)
那么,如何科学地解释这一现象呢?后来我逐渐领悟到,关键在于能量最低原理。这是为何?因为:静电荷之间的吸引状态代表着低能量状态,而静电荷之间的排斥状态则是高能量状态。这两种状态及其能量差异的原理,与成键分子轨道和反键分子轨道中电子占据时的能量状态关系紧密相连。
当电子占据成键分子轨道时,与共价键相关的共用电子对主要分布在两个原子核之间。这种电子密度增强了两个核之间的静电吸引,从而形成共价键并释放能量,达到低能量状态。相反,当反键分子轨道中有电子占据时,共用电子对的电子密度大部分位于两个原子核以外的空间。这使得两个核在“其他空间”中的静电吸引倾向减弱,有趋向互相远离的趋势(共价键),显然这是一种不稳定的高能量状态。遵循能量最低原理,这种状态不会自发形成。
有了上述的解释,我们便能更好地理解水分子极性实验的结果。无论外部电荷是正电荷(如玻璃棒)还是负电荷(如塑料棒),水分子都会自发地朝向外部电荷载体靠近,以形成具有静电吸引作用的低能量状态。这样便遵循了能量最低原理,而绝不会选择远离外部电荷载体、形成高能量状态的静电排斥作用。